一种GaN基LED外延片、外延生长方法及LED芯片与流程

一种gan基led外延片、外延生长方法及led芯片
技术领域
1.本发明涉及led技术领域，特别涉及一种gan基led外延片、外延生长方法及led芯片。


背景技术：

2.发光二极管(lightemittingdiode，简称：led)是一种能发光的半导体电子元件，由于其体积小、亮度高、能耗低等特点，吸引了越来越多研究者的注意，其中，gan基的led具有高密度、能耗低、寿命长、响应时间短、无辐射等优点，广泛的应用于照明及显示等领域。
3.其中，gan基的led中会存在量子效率衰退的现象，即在更大电流密度时，led发光效率反而下降，造成这一现象的主要原因之一是空穴的注入不足所导致的，所以如何提高空穴的注入效率这一问题值得大家关注。
4.传统的gan基led外延结构都存在v型坑，因为v形坑在提升gan基led器件光电性能方面上的一些正向作用，主要表现在屏蔽位错和改善空穴传输两方面，具体的，当led在大电流密度下工作时，空穴注入主要是从v型坑侧壁注入，目前，gan基led外延结构中的低温p型层沿着v型坑侧壁生长，但是由于低温p型层生长温度较低，原子迁移率较差，低温p型层不能沿v型坑侧壁生长至v型坑底部，所以降低了空穴的注入效率，导致led发光效率下降。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种gan基led外延片、外延生长方法及led芯片，旨在解决现有gan基led外延结构中，低温p型gan层较难沿v型坑生长至底部，导致led发光效率下降的问题。
6.根据本发明实施例当中的一种gan基led外延片，包括低温p型gan层，所述低温p型gan层包括依次层叠的第一低温p型gan子层、第二低温p型gan子层以及第三低温p型gan子层，所述第一低温p型gan子层和所述第二低温p型gan子层皆为重掺mg的alingan层，所述第三低温p型gan子层为未掺mg的gan层；其中，所述第一低温p型gan子层中al组分的浓度大于所述第二低温p型gan子层中al组分的浓度，所述第三低温p型gan子层通过气氛由nh3/n2/h2渐变为nh3/n2，同时，温度逐渐升高的方式进行生长。
7.优选地，所述gan基led外延片还包括衬底、缓冲层，非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层以及p型接触层；所述缓冲层，所述非掺杂gan层、所述n型gan层、所述多量子阱层、所述低温p型gan层、所述电子阻挡层、所述p型gan层以及所述p型接触层依次层叠在所述衬底上。
8.优选地，所述第一低温p型gan子层中的al组分浓度为0.01~0.1，所述第二低温p型gan子层中的al组分浓度为0.001~0.01，所述第一低温p型gan子层和所述第二低温p型gan子层中的in组分浓度皆为0.01~0.1。
9.优选地，所述第一低温p型gan子层中al组分浓度为所述第二低温p型gan子层中al组分浓度的1倍~10倍。
10.优选地，所述低温p型gan层的厚度为10nm~50nm，其中，所述第二低温p型gan子层厚度是第一低温p型gan子层厚度的1倍~5倍，所述第二低温p型gan子层厚度是所述第三低温p型gan子层厚度的1倍~5倍。
11.根据本发明实施例当中的一种led外延片的外延生长方法，用于制备上述的gan基led外延片，所述外延生长方法包括：提供一生长所需的衬底；在衬底上依次外延生长缓冲层，非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、低温p型gan层、电子阻挡层、p型gan层；所述低温p型gan层包括依次层叠的第一低温p型gan子层、第二低温p型gan子层以及第三低温p型gan子层，在生长所述低温p型gan层时，控制所述第一低温p型gan子层、所述第二低温p型gan子层以及所述第三低温p型gan子层依次层叠在所述多量子阱层上，所述第一低温p型gan子层和所述第二低温p型gan子层皆为重掺mg的alingan层，所述第三低温p型gan子层为未掺mg的gan层；其中，所述第一低温p型gan子层中al组分的浓度大于所述第二低温p型gan子层中al组分的浓度，且在生长所述第三低温p型gan子层时，控制气氛由nh3/n2/h2渐变为nh3/n2，同时，温度逐渐升高。
12.优选地，所述nh3/n2/h2的比例为1：1：2~1：3：5，所述nh3/n2的比例为1:2~2:1。
13.优选地，所述在生长所述低温p型gan层时，控制所述第一低温p型gan子层、所述第二低温p型gan子层以及所述第三低温p型gan子层依次层叠在所述多量子阱层上的步骤中，控制所述第一低温p型gan子层中al组分浓度为所述第二低温p型gan子层中al组分浓度的1倍~10倍。
14.优选地，所述低温p型gan层的生长的恒定温度为700℃~800℃，生长压力100torr~500torr，所述温度逐渐升高的步骤中，控制所述恒定温度逐渐升高100℃。
15.根据本发明实施例当中的一种led芯片，包括上述的gan基led外延片。
16.与现有技术相比：通过设置低温p型gan层，低温p型gan层包括依次层叠的第一低温p型gan子层、第二低温p型gan子层以及第三低温p型gan子层，第一低温p型gan子层和第二低温p型gan子层皆为重掺mg的alingan层，第三低温p型gan子层为未掺mg的gan层，其中，第一低温p型gan子层中al组分的浓度大于第二低温p型gan子层中al组分的浓度，即低温p型gan层中存在al组分浓度由高到低的变化，那么，其能带也随al组分变化，既可以阻挡电子溢流，也有利于空穴通过低温p型gan层注入到发光区域，具体的，第三低温p型gan子层通过气氛由nh3/n2/h2渐变为nh3/n2，同时，温度逐渐升高的方式进行生长，气氛的渐变，既提高了低温p型gan层的晶体质量，也提升了低温p型gan层沿v型坑侧壁生长的能力，而温度的升高，既能退火打断mg-h键，提高低温p型gan层活化mg浓度，也能提高ga原子迁移率，促进低温p型gan层沿v型坑底部生长，提升led光电效率。
附图说明
17.图1为本发明实施例一当中的gan基led外延片的结构示意图；
图2为本发明实施例一当中的gan基led外延片中低温p型gan层的结构示意图；图3为本发明实施例二当中的gan基led外延片的外延生长方法的流程图。
18.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
19.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
20.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
21.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
22.实施例一请参阅图1和图2，所示为本发明实施例一中的gan基led外延片，包括衬底10、以及在衬底10上依次层叠的缓冲层20，非掺杂gan层30、n型gan层40、多量子阱层50、低温p型gan层60、电子阻挡层70、p型gan层80以及p型接触层90。
23.在本实施例当中，低温p型gan层60包括依次层叠的第一低温p型gan子层601、第二低温p型gan子层602以及第三低温p型gan子层603，第一低温p型gan子层601和第二低温p型gan子层602皆为重掺mg的alingan层，第三低温p型gan子层603为未掺mg的gan层，需要说明的是，采用中微a7 mocvd(metal-organic chemical vapor deposition，简称：金属有机气相沉积)设备，高纯h
2 (氢气)、高纯n2(氮气)、高纯h2和高纯n2的混合气体中的一种作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂进行外延生长。
24.具体的，外延生长的过程为从衬底10一端向另一端生长外延层的过程，当多量子阱层50生长完成后，需要在多量子阱层50上生长低温p型gan层60，首先在多量子阱层50上沉积一层第一低温p型gan子层601，得到al组分浓度为0.01~0.1的第一低温p型gan子层601，再在第一低温p型gan子层601沉积一层第二低温p型gan子层602，得到al组分浓度为0.001~0.01的第二低温p型gan子层602，其中，第一低温p型gan子层601中al组分浓度为第二低温p型gan子层602中al组分浓度的1倍~10倍，由于第一低温p型gan子层601中al组分的浓度大于第二低温p型gan子层602中al组分的浓度，即低温p型gan层中存在al组分浓度由高到低的变化，那么，其能带也随al组分变化，既可以阻挡电子溢流，也有利于空穴通过低温p型gan层60注入到多量子阱层50中，另外，第一低温p型gan子层601和第二低温p型gan子层602中的in组分浓度皆为0.01~0.1。
25.需要说明的是，第一低温p型gan子层601和第二低温p型gan子层602在恒定的nh3/
n2/h2气氛和温度下生长，当第一低温p型gan子层601和第二低温p型gan子层602生长完成后，开始生长第三低温p型gan子层603时，气氛由nh3/n2/h2渐变为nh3/n2，即减少h2的通入，一方面可以提高低温p型gan层60的晶体质量，另一方面也提升了低温p型gan层60沿v型坑侧壁生长的能力，与此同时，逐渐提高第三低温p型gan子层603生长时的温度，通过升高温度既能退火打断mg-h键提高低温p型gan层60活化mg浓度，也能提高ga原子迁移率促进低温p型gan层60沿v型坑底部生长，增大空穴从v型侧壁注入的面积。
26.其中，低温p型gan层60的厚度为10nm~50nm，例如为20nm、25nm、30nm等，第二低温p型gan子层602厚度是第一低温p型gan子层601厚度的1倍~5倍，第二低温p型gan子层602厚度是第三低温p型gan子层603厚度的1倍~5倍，示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，缓冲层20的厚度为10nm~30nm，例如为15nm、20nm、25nm等；非掺杂gan层30的厚度为1μm ~5μm，例如为2μm、3μm、4μm等；n型gan层40的厚度为2μm ~3μm，例如为2.2μm、2.3μm、2.4μm等；多量子阱层50的厚度为66nm~186nm，例如为100nm、120nm、140nm等；电子阻挡层70的厚度为10nm~40nm，例如为15nm、20nm、25nm等；p型gan层的厚度为10nm~50nm，例如为15nm、20nm、25nm等；p型接触层的厚度为5nm~20nm，例如为8nm、10nm、15nm等，需要说明的是，多量子阱层50为ingan量子阱层和algan量子垒层依次交替堆叠的周期性结构，堆叠周期数6个~12个，例如为7个堆叠周期，则多量子阱层50总共有14层，7层ingan量子阱层，7层algan量子垒层。
27.实施例二请参阅图3，所示为本发明实施例二提出的一种led外延片的外延生长方法，用于制备上述实施例一当中的gan基led外延片，所述方法具体包括步骤s201至步骤s209，其中：步骤s201，提供一生长所需的衬底。
28.在本实施例当中，衬底为蓝宝石衬底，示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，衬底还可以为硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底等，其中，选用蓝宝石衬底的原因在于其制备工艺成熟，产量大，成本低廉，并且化学稳定性和热稳定性都较为优异。
29.步骤s202，生长缓冲层，其生长厚度为10nm~30nm。
30.具体的，缓冲层为aln层，在pvd（物理气相沉积）系统中进行沉积，沉积厚度为15nm。
31.需要说明的是，led外延片的生长是通过中微a7 mocvd(metal-organic chemical vapor deposition，简称mocvd)设备实现的。将已经镀完aln缓冲层的蓝宝石衬底放入mocvd中，采用高纯h
2 (氢气)、高纯n2(氮气)、高纯h2和高纯n2的混合气体中的一种作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂进行外延生长。
32.步骤s203，生长非故意掺杂gan层，其生长厚度为1μm~5μm。
33.其中，非掺杂的gan层生长温度为1050℃~1200℃，生长压力为100torr~600torr。
34.优选的，非掺杂的gan层生长温度为1100℃，生长压力为150torr，生长厚度为2μm~3μm，在此条件下生长得到的非掺杂的gan层，不仅gan晶体质量较优，而且节省了ga源，节约了生产成本。
35.步骤s204，生长n型gan层，其生长厚度为2μm~3μm。
36.其中，n型gan层生长温度为1050℃~1200℃，生长压力为100torr~600torr， si掺杂浓度为1e19atoms/cm3~5e19atoms/cm3。
37.优选的，n型gan层的生长条件为，生长温度为1120℃，生长压力100torr， si掺杂浓度为2.5e19atoms/cm3。
38.步骤s205，生长多量子阱层，其生长厚度为66nm~186nm。
39.在本实施例当中，多量子阱层为依次交替堆叠的ingan量子阱层和algan量子垒层，可以理解的，当n型gan层生长完成后，沉积在n型gan层上的第一子层为ingan量子阱层，第二子层为algan量子垒层，以此类推，直至周期结束，得到多量子阱层，其中，单层ingan量子阱层的厚度为2nm~3.5nm，单层algan量子垒层的厚度为9nm~12nm，al组分为0.1，堆叠周期数6个~12个，另外，ingan量子阱层的生长温度为790℃~810℃，algan量子垒层的生长温度为800℃~900℃。
40.步骤s206，生长低温p型gan层，其生长厚度为10nm~50nm。
41.需要说明的是，低温p型gan层包括依次层叠的第一低温p型gan子层、第二低温p型gan子层以及第三低温p型gan子层，在生长低温p型gan层时，控制第一低温p型gan子层、第二低温p型gan子层以及第三低温p型gan子层依次层叠在多量子阱层上，其中，第一低温p型gan子层中al组分的浓度大于第二低温p型gan子层中al组分的浓度，且在生长第三低温p型gan子层时，控制气氛由nh3/n2/h2渐变为nh3/n2，同时，温度逐渐升高。
42.具体的，第一低温p型gan子层为重掺mg的alingan层，其中，al组分浓度为0.01~0.1，in组分浓度为0.01~0.1，第二低温p型gan子层为重掺mg的alingan层，其中，al组分浓度为0.001~0.01，in组分浓度为0.01~0.1，低温p型gan层中第一低温p型gan子层和第二低温p型gan子层的mg掺杂浓度为1e19 atoms/cm3~1e21atoms/cm3，另外，第一低温p型gan子层中al组分浓度是第二低温p型gan子层中al组分浓度的1倍~10倍，例如，当第一低温p型gan子层中al组分浓度为0.02，第二低温p型gan子层中al组分浓度为0.007时，第一低温p型gan子层中al组分浓度约为第二低温p型gan子层中al组分浓度的2.86倍，其中，低温p型gan层的生长的恒定温度为700℃~800℃，生长压力100torr~500torr，可以理解的，生长第一低温p型gan子层和第二低温p型gan子层时，温度和压力皆为恒定的，且在恒定的nh3/n2/h2气氛中生长，nh3/n2/h2的比例为1：1：2~1：3：5。
43.进一步的，第三低温p型gan子层为未掺mg的gan层，其中，在生长第三低温p型gan子层时，控制气氛由nh3/n2/h2渐变为nh3/n2，其中，nh3/n2的比例为1:2~2:1，气氛的渐变既提高低温p型gan层的晶体质量，也提升了低温p型gan层沿v型坑侧壁生长的能力，同时，控制恒定温度逐渐升高100℃，例如，在生长第一低温p型gan子层和第二低温p型gan子层时的恒定温度为760℃，则在生长第三低温p型gan子层时，温度从760℃上升至860℃，通过升高温度既能退火打断mg-h键提高低温p型gan层活化mg浓度，也能提高ga原子迁移率促进低温p型gan层沿v型坑底部生长，增大空穴从v型侧壁注入的面积。
44.步骤s207，生长电子阻挡层，其生长厚度为10nm~40nm。
45.需要说明的是，电子阻挡层的材料为al
x
inyga
1-x-y
n，生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~300torr，其中，al组分浓度为0.005《x《0.1，in组分浓度为0.05《y《0.2。
46.优选的，电子阻挡层为al
0.05
in
0.1
ga
0.85
n层，生长厚度为15nm，生长温度为965℃，生
长压力为200torr。
47.步骤s208，生长p型gan层，其生长厚度为10nm~50nm。
48.其中，p型gan层的生长温度为900℃~1050℃，生长压力100torr~600torr,mg掺杂浓度为1e19atoms/cm3~1e21atoms/cm3。
49.优选的，p型gan层的生长温度为985℃，生长厚度为15nm，生长压力为200torr，mg掺杂浓度为2e20atoms/cm3。
50.步骤s209，生长p型接触层，其生长厚度为5nm~20nm。
51.具体的，p型接触层的生长温度为850℃~950℃，生长压力为100torr~400torr，mg掺杂浓度为1e21atoms/cm3~5e21atoms/cm3。
52.优选的，p型接触层的生长温度为895℃，生长厚度为5nm，生长压力为200torr，mg掺杂浓度为2e21atoms/cm3。
53.综上，本发明实施例当中的gan基led外延片及其外延生长方法，通过设置低温p型gan层，低温p型gan层包括依次层叠的第一低温p型gan子层、第二低温p型gan子层以及第三低温p型gan子层，第一低温p型gan子层和第二低温p型gan子层皆为重掺mg的alingan层，第三低温p型gan子层为未掺mg的gan层，其中，第一低温p型gan子层中al组分的浓度大于第二低温p型gan子层中al组分的浓度，即低温p型gan层中存在al组分浓度由高到低的变化，那么，其能带也随al组分变化，既可以阻挡电子溢流，也有利于空穴通过低温p型gan层注入到发光区域，具体的，第三低温p型gan子层通过气氛由nh3/n2/h2渐变为nh3/n2，同时，温度逐渐升高的方式进行生长，气氛的渐变，既提高了低温p型gan层的晶体质量，也提升了低温p型gan层沿v型坑侧壁生长的能力，而温度的升高，既能退火打断mg-h键，提高低温p型gan层活化mg浓度，也能提高ga原子迁移率，促进低温p型gan层沿v型坑底部生长，提升led光电效率。
54.实施例三本发明实施例三提供一种led芯片，包括上述实施例一当中的led外延片，所述led外延片可由上述实施例二当中的led外延片的外延生长方法外延生长得到。
55.在本实施例当中，led芯片中的低温p型gan层的厚度为20 nm，生长低温p型gan层时，气氛nh3/h2/n2比例为1:1.3:2.3，其中，第二低温p型gan子层厚度是第一低温p型gan子层厚度的2倍，第一低温p型gan子层厚度与第三低温p型gan子层厚度相同，另外，第一低温p型gan子层为al
0.02
in
0.05
ga
0.93
n层，第二低温p型gan子层为al
0.007
in
0.05
ga
0.943
n层，mg掺杂浓度为1e20atoms/cm3，生长温度为760℃，生长压力为200torr，当要生长第三低温p型gan子层时，生长温度从760℃逐渐升至860℃，生长气氛由nh3/h2/n2比例1:1.3:2.3逐渐转变至nh3/n2比例1:1，最终制备得到led芯片在120 ma/ 60 ma电流下测试，测试结果较现有led芯片而言，光效提升1%，其他项电学性能良好。
56.实施例四在本实施例当中，led芯片中的低温p型gan层的厚度为25 nm，生长低温p型gan层时，气氛nh3/h2/n2比例为1:1.3:2.3，其中，第二低温p型gan子层厚度是第一低温p型gan子层厚度的2倍，第一低温p型gan子层厚度与第三低温p型gan子层厚度相同，另外，第一低温p型gan子层为al
0.02
in
0.05
ga
0.93
n层，第二低温p型gan子层为al
0.007
in
0.05
ga
0.943
n层，mg掺杂浓度为1e20atoms/cm3，生长温度为760℃，生长压力为200torr，当要生长第三低温p型gan子
层时，生长温度从760℃逐渐升至860℃，生长气氛由nh3/h2/n2比例1:1.3:2.3逐渐转变至nh3/n2比例1:1，最终制备得到led芯片在120 ma/ 60 ma电流下测试，测试结果较现有led芯片而言，光效提升0.5%，其他项电学性能良好。
57.实施例五在本实施例当中，led芯片中的低温p型gan层的厚度为20 nm，生长低温p型gan层时，气氛nh3/h2/n2比例为1:1.3:2.3，其中，第二低温p型gan子层厚度是第一低温p型gan子层厚度的3倍，第一低温p型gan子层厚度与第三低温p型gan子层厚度相同，另外，第一低温p型gan子层为al
0.02
in
0.05
ga
0.93
n层，第二低温p型gan子层为al
0.007
in
0.05
ga
0.943
n层，mg掺杂浓度为1e20atoms/cm3，生长温度为760℃，生长压力为200torr，当要生长第三低温p型gan子层时，生长温度从760℃逐渐升至860℃，生长气氛由nh3/h2/n2比例1:1.3:2.3逐渐转变至nh3/n2比例1:1，最终制备得到led芯片在120 ma/ 60 ma电流下测试，测试结果较现有led芯片而言，光效提升0.5%，其他项电学性能良好。
58.实施例六在本实施例当中，led芯片中的低温p型gan层的厚度为20 nm，生长低温p型gan层时，气氛nh3/h2/n2比例为1:1.3:2.3，其中，第二低温p型gan子层厚度是第一低温p型gan子层厚度的2倍，第一低温p型gan子层厚度与第三低温p型gan子层厚度相同，另外，第一低温p型gan子层为al
0.03
in
0.05
ga
0.92
n层，第二低温p型gan子层为al
0.008
in
0.05
ga
0.942
n层，mg掺杂浓度为1e20atoms/cm3，生长温度为760℃，生长压力为200torr，当要生长第三低温p型gan子层时，生长温度从760℃逐渐升至860℃，生长气氛由nh3/h2/n2比例1:1.3:2.3逐渐转变至nh3/n2比例1:1，最终制备得到led芯片在120 ma/ 60 ma电流下测试，测试结果较现有led芯片而言，光效提升0.7%，其他项电学性能良好。
59.分别对现有技术中的外延片制作的芯片以及本发明提出的外延片制作的芯片在相同条件下进行发光亮度的测试，具体如表1所示：表1从表中可以看出，通过本发明提出的外延片制作的芯片的发光亮度比现有技术中的外延片的发光亮度具有一定提升，且提升为0.5%~1%。
60.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。